A szuperhűtött, lézerrel befogott atomok háromdimenziós rácsának csökkentett entrópiája felgyorsíthatja a kvantumszámítás felé történő haladást. A Penn State-i kutatók egy csoportja átrendezheti a véletlenszerűen elosztott atomok szerkezetét szépen elrendezett blokkokra, ellátva a "Maxwell-démon" funkcióját - ez egy majdnem 150 évvel ezelőtti gondolatkísérlet, amely a termodinamika második törvényét követeli meg.
A szervezett atomtömbök alapot képezhetnek egy olyan kvantum számítógép számára, amely töltés nélküli atomokat használ az adatok kódolásához és a számítások elvégzéséhez. A kutatást leíró cikk 2018. szeptember 6-án jelenik meg a Nature folyóiratban.
"A hagyományos számítógépek tranzisztorok segítségével kódolják az adatokat bitként, amelyek a két állapot - nulla vagy egy - egyikében lehetnek" - mondta David Weiss, a Penn State fizika professzora és a kutatócsoport vezetője. "Olyan kvantumszámítógépeket fejlesztünk, amelyek atomokat használnak" kvantumbitekként "vagy" qubitokként ", amelyek kvantummechanikai jelenségeken alapuló adatokat kódolhatnak, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy egyszerre több állapotban legyenek. Az atomok zárt 3D rácsba rendezése lehetővé teszi számunkra, hogy sok atomok kis területen, és a számítás egyszerűbbé és hatékonyabbá válik. "
A termodinamika második törvénye azt mondja, hogy a rendszer entrópiája - amelyet néha kudarcnak tartanak - nem csökkenhet az idő múlásával. Ennek a törvénynek az egyik következménye, hogy kizárja a perpetum mobile (örök-állandó-örök mozgású eszköz) felépítésének lehetőségét. Valamikor 1870 körül James Clerk Maxwell javaslatot tett egy gondolatkísérletre, amelynek során egy démon kinyitotta és bezárhatta a kaput két gázkamra között, lehetővé téve az egyik irányba a melegebb atomok, a másikba pedig a hidegebb atomok áthaladását. Ez a válogatás, amely nem igényelt energiabevitelt, a rendszer entrópiájának csökkenéséhez és a két kamra közötti hőmérséklet-különbséghez vezetett, amely hőszivattyúként használható a munka elvégzéséhez, és ezzel megsértette a termodinamika második törvényét.
Az entrópia csökkentése egy véletlenszerűen kitöltött 5x5x5 atomrácsban. Minden oszlop a rács 5 síkjának kapcsolódását mutatja. Fentiek az atomok véletlenszerű eloszlása 125 lehetséges helyzetben. A második sor az első átszervezés utáni rendezéseket, a harmadik sor pedig a második átszervezéseket mutatja. Abban a pillanatban a cél 5x5x2 alrács teljesen kitöltődik. ez a folyamat 2,4-szeresére csökkenti a rendszer entrópiáját. Hitel: Weiss Laboratory, Penn State
"A későbbi eredmények azt mutatták, hogy a démon valójában nem sértette meg a termodinamika második törvényét, és ezt követően sokan megpróbáltak olyan kísérleti rendszereket kifejleszteni, amelyek démonként viselkednek" - mondta Weiss. "Nagyon kis léptékben voltak sikerek, de létrehoztunk egy rendszert, amelyben nagyszámú atomot manipulálhatunk, úgy szervezhetjük őket, hogy a démonhoz hasonlóan csökkentse a rendszer entrópiáját."
A kutatók lézerek segítségével rögzítik és hűtik az atomokat egy háromdimenziós rácsban, 125 pozíció 5 x 5 x 5 kockaként rendezve, majd véletlenszerűen töltik ki atomokkal a rács pozícióinak körülbelül felét. A lézercsapdák polarizációjának beállításával a kutatók az atomokat külön-külön vagy csoportosan mozgathatják, véletlenszerűen elosztott atomokat rendezhetnek át, vagy teljesen kitölthetik egy 5 x 5 x 2 vagy 4 x 4 x 3 rács részhalmazait.
"Mivel az atomokat a lehető legalacsonyabb hőmérsékletre hűtik, a rendszer entrópiáját szinte teljesen meghatározza a rács atomjainak véletlenszerű konfigurációja" - mondta Weiss. "Azokban a rendszerekben, ahol az atomok nincsenek túlhűtve, az atomok rezgései teszik ki a rendszer entrópiájának túlnyomó részét. Ilyen rendszerben az atomok szervezete nem sok hatással van az entrópia megváltoztatására, de kísérletünk során azt mutatják, hogy az atomok rendezése körülbelül 2,4-szeresére csökkenti a rendszer entrópiáját. "